Розробка та впровадження енергозберігаючих технологій ректифікації етилового спирту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Український державний університет харчових технологій

УДК 663.551.24

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка та впровадження енергозберігаючих технологій ректифікації етилового спирту

05.18.07 - Технологія продуктів бродіння

Міщенко Олексій Семенович

Київ 2000

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Створення енергозберігаючих технологій є одним з пріоритетних напрямків становлення суспільного виробничого комплексу незалежної України. Перш за все, це обумовлено значною залежністю України від імпорту енергоносіїв, що в значній мірі визначає високу собівартість вітчизняної продукції.

Ректифікований спирт в Україні, в основному, виробляють на брагоректифікаційних установках непрямої дії, які є одними з найбільш енергомістких серед відомих. Не дивлячись на суттєве скорочення обсягів виробництва ректифікованого спирту, які становили у 1999 році близько 15 млн. дол., витрати теплової енергії на його одержання залишаються значними і складають лише для потреб брагоректифікації більше 2000 ^. 10⁶ МДж або понад 70 тис. тонн умовного палива на рік. Тому заміна застарілої енергоємкої технології брагоректифікації на більш економічну при одночасному забезпеченні високої якості спирту дозволить підвищити конкурентоздатність вітчизняної продукції на внутрішньому і зовнішньому ринках.

У зв'язку з вищенаведеним, проблема створення і впровадження енергозберігаючих технологій ректифікації етилового спирту є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з цільовим науково - технічним проектом Міннауки України “Розробка високоефективної технології виробництва спирту із вуглеводвмісної відновлюваної сировини” № 0197U015051, завданнями державного концерну “Укрспирт” “Розробити і впровадити технологію і нормативно - технічну документацію на одержання ректифікованого спирту зі зменшеним вмістом алкоголю” № 0192U011865 і “Розробити та впровадити раціональну енергозберігаючу техніку і технологію ректифікації етанолу з організацією виробництва БРУ в Україні”, господарчими договорами з підприємствами галузі і планами НД і ДКР УкрНДІспиртбіопрод.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є наукове обгрунтування, розробка та впровадження енергозберігаючої технології брагоректифікації з елементами під вакуумом і рекуперацією тепла та енергозберігаючої технології виробництва спирту етилового ректифікованого зі зменшеним вмістом алкоголю.

У зв'язку з цим були поставлені такі задачі:

- розробити уточнену математичну модель фазової рівноваги рідина - пара для суміші етанол - вода за різних тисків;

- розробити математичні моделі залежностей температури кипіння суміші етанол- вода від концентрації і тиску та ізобарної теплоємності і теплоти пароутворення цієї суміші від температури і складу;

- вивчити вплив деяких факторів на флегмове число і витрату гріючої пари ректифікаційної колони за умови врахування гідравлічного опору тарілок;

- експериментально дослідити вплив робочого тиску ректифікаційної колони на ефективність масообмінних тарілок і визначити його оптимальне значення;

- визначити вплив зменшення концентрації ректифікованого спирту на флегмове число, витрату гріючої пари, продуктивність ректифікаційної колони та її термо-динамічну ефективність за умови врахування гідравлічного опору тарілок;

- експериментально дослідити склад бражних дистилятів з різних стадій кон-денсації у виробничих умовах;

- розробити та впровадити технологію брагоректифікації для виробництва спирту зі зменшеним вмістом алкоголю;

- дослідити ефективність застосування плівкового кип'ятильника ректифікаційної колони, що працює під вакуумом, в разі обігріву його парою бражного дистиляту;

- обгрунтувати вибір енерготехнологічних зв'язків і параметрів та розробити енергозберігаючу технологію брагоректифікації з елементами під вакуумом;

- виконати енергетичний та термодинамічний аналіз розробленої БРУ;

- впровадити технологію брагоректифікації з елементами під вакуумом і рекуперацією тепла, відпрацювати параметри технологічного режиму;

- розробити і затвердити відповідну нормативно-технічну документацію;

- визначити економічну ефективність розроблених технологій.

Наукова новизна. Науково обгрунтовано енерготехнологічне комбінування в брагоректифікаційній установці з елементами під вакуумом на базі ступінчато-послідовного використання тепла пари бражного дистиляту і барди. Розраховано енергетичні та ексергетичні баланси розробленої БРУ з елементами під вакуумом, визначено термодинамічну ефективність її елементів.

Розроблено уточнені математичні моделі фазової рівноваги в системі рідина-пара для суміші етанол-вода за різних тисків, залежності температури кипіння від тиску і складу, а також залежності ізобарної теплоємності і теплоти пароутворення від температури та складу суміші етанол-вода і за їх допомогою вивчено вплив тиску, складу дистиляту та кількості теоретичних тарілок на флегмове число ректифікаційної колони з врахуванням гідравлічного опору масо-обмінних тарілок, а також вплив величини останнього на параметри роботи РК.

Експериментально досліджено вплив величини робочого тиску на ефективність ситчасто-клапанних тарілок та визначено його оптимальне значення.

На основі експериментальних даних отримано залежність коефіцієнта теплопередачі плівкового кип'ятильника ректифікаційної колони від температурного напору в разі його обігріву парою бражного дистиляту

Отримано нові експериментальні дані про розподіл основних груп домішок при парціальній конденсації пари бражного дистиляту. Науково обгрунтовано технологію ректифікованого спирту зі зменшеним вмістом алкоголю, показано ступінь підвищення термодинамічної ефективності ректифікаційної колони при його виробництві.

Новизну та ефективність розробленої енергозберігаючої технології та установки з елементами під вакуумом і рекуперацією тепла підтверджено патентами України № 11944 та Росії № 1655104.

Новизну та ефективність розробленої технології виробництва спирту етилового ректифікованого зі зменшеним вмістом алкоголю підтверджено патентами України № 8782 та № 17080-А і Росії № 1275037.

Практичне значення одержаних результатів полягає у використанні їх при розробці технологічного регламенту на виробництво спирту етилового ректифікованого з харчових видів сировини та доповнення до технологічного регламенту на виробництво ректифікованого спирту вищої очистки зі зменшеним вмістом алкоголю. Розроблено і затверджено ТУУ 18.163-94 “Спирт етиловий ректифікований вищої очистки “Номінал”, внесено зміни до Міждержавного стандарту ГОСТ 5962- 67 “Спирт этиловый ректификованный. Технические условия”.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень використано ПКБ УкрНДІспиртбіопрод при розробці проектів реконструкції Бійського спиртового заводу та будівництва спиртових заводів у м. Находка (РФ) та м. Александрополі (Республіка Греція ).

Технологію виробництва спирту етилового ректифікованого вищої очистки “Номінал” впроваджено на Будильському спиртовому заводі і здано відомчій комісії Державного концерну “Укрспирт”.

Енергозберігаючу технологію брагоректифікації та установку з елементами під вакуумом впроваджено на Бійському спиртовому заводі (РФ).

Особистий внесок здобувача полягає в організації і проведенні наукових експериментів, а також в обробці і узагальненні їх результатів, написанні наукових статей, безпосередній участі в розробці нормативно - технічної документації.

При безпосередній участі автора розроблено технологічні схеми БРУдля виробництва спирту зі зменшеним вмістом алкоголю та БРУ з елементами під вакуумом. Під його керівництвом і безпосередній участі виконано відпрацювання технологічних режимів, розроблені технології впроваджено у виробництво.

Автор висловлює подяку співробітникам лабораторії процесів ректифікації УкрНДІспиртбіопрод і відділу обладнання процесів ректифікації, дистиляції і абсорбції УкрНДІхіммаш за співпрацю при виконанні дисертаційної роботи.

Апробація результатів дисертації здійснювалась на засіданнях Вченої Ради УкрНДІспиртбіпрод у 1994-1999 рр.; на Всесоюзній нараді “Тепломассообменное оборудование - 88”, м. Москва, 1988 р.; Міжнародній науково - практичній конференції “Вакуумная техника и вакуумные технологии”, м. Харків, 1995 р.; Всеукраїнській науково - технічній конференції “Розробка та впровадження прогресивних технологій у харчову та переробну промисловість”, м. Київ, УДУХТ, 1995р.; ІХ Міжнародній конференції “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафто - хімічних виробництв”, м. Одеса, 1996 р.; Міжнародній науково-технічній конференції “Розробка та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість”, м. Київ,УДУХТ, 1996 р.; 6 - й Міжнародній науково - технічній конференції “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової та переробної промисловості”, м. Київ, УДУХТ, 1999 р.; в експонатах в рамках Національних міжнародних виставок України “Intecvart Ukraine” (м. Київ) 1997 р.; в ОАЕ (м.Шарджа), 1995-1996 р.р.; в Індії (м. НьюДелі), 1996 р.; в Греції (м. Салоніки), 1998 р.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 15 друкованих праць, у тому числі 8 статей у наукових фахових виданнях, 3 патенти України (1 спосіб і 1 установку запатентовано також в Росії).

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 191 найменування та 13 додатків. Робота викладена на 141 сторінці основного тексту, містить 25 рисунків та 14 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету і задачі досліджень, з'ясовано наукову та практичну цінність роботи.

У першому розділі “Основні напрямки економії тепла в технології ректифікації спирту” на основі вітчизняних і зарубіжних джерел проаналізовано сучасний стан енергозбереження в системі брагоректифікаційних установок.

Розглянуто відомі технологічні та конструктивні прийоми енергозбереження: оснащення колон більш ефективними масообмінними тарілками; збільшення концентрації спирту в бражці і підвищення температури її нагріву; використання тепла барди для нагріву бражки та обігріву колон БРУ; використання лютерної води для обігріву бражної колони та нагріву напівпродуктів ректифікації; робота окремих колон під вакуумом, що надає ряд теплотехнічних та технологічних переваг; виробництво спирту зі зменшеним вмістом алкоголю; раціональне проектування БРУ і оптимізація параметрів процесу.

Проаналізовано ряд брагоректифікаційних установок з різним ступенем енерготехнологічного комбінування в системах, елементи яких працюють за атмосферного тиску, під вакуумом та за тиску вище атмосферного, а також з механічною рекомпресією пари. Розглянуто їх позитивні сторони та недоліки, намічено перспективні шляхи вдосконалення БРУ.

Розглянуто методи аналізу енерготехнологічних систем і обгрунтовано перспективність застосування ексергетичного методу термодинамічної оцінки БРУ з рекуперацією тепла, вказано на необхідність уточнення математичної моделі фазової рівноваги суміші етанол - вода, як бази для розрахунків процесу ректифікації. Сформульовано задачі досліджень.

У другому розділі “Об'єкти та методи досліджень” наведено схему та опис роботи експериментальної БРУ Коростишівського спиртового заводу, на якій вивчали роботу плівкового кип'ятильника ректифікаційної колони за умови обігріву його парою бражного дистиляту. Оцінку його ефективності здійснювали за величиною коефіцієнта теплопередачі К.

Аналіз теплових балансів колон БРУ здійснювали за відомими методиками з використанням розроблених нами математичних моделей фазової рівноваги, температури кипіння t, ізобарної теплоємності C_p та теплоти пароутворення r суміші етанол - вода за різних умов.

Аналіз взаємозалежності параметрів ректифікаційної колони (РК) виконували з використанням методики розрахунку по теоретичних ступенях “від тарілки до тарілки” з врахуванням гідравлічного опору масообмінних тарілок. Оптимізацію робочого (над верхньою тарілкою) тиску (Р_в) здійснювали за допомогою емпіричної залежності середнього к.к.д. тарілок () від тиску (Р), розробленої нами на основі експериментальних даних, отриманих при дослідженні ефективності ситчасто-клапанних тарілок (СКТ) за різних тисків.

Термодинамічний аналіз БРУ виконано згідно з методикою аналізу теплових процесів хімічної технології, запропонованою академіком В.В. Кафаровим, в основу якої покладено ексергетичний баланс термодинамічної системи. Термодинамічну ефективність технологічних елементів БРУ визначали за коефіцієнтами інтенсивності (_N) і ексергетичних втрат (_п).

Проби для аналітичних досліджень відбирали при стабільному технологічному режимі і аналізували за відомими методиками.

Третій розділ “Вивчення впливу різних факторів на флегмове число ректифікаційної колони та витрату гріючої пари” присвячений математичному моделюванню взаємозалежностей параметрів РК за умови врахування гідравлічного опору масообмінних тарілок (?Р). В розрахунках використовували розроблені нами на основі відомих експериментальних даних залежності.

Ізобарну теплоємність розраховували за допомогою рівняння:

С_Р = 4,153 + 2,313 х - 8,178 х² + 3,848 ^. х³ + (0,000834 - 0,00936 х+ 0,05018 х² - 0,02961 х³) ^. t, кДж/кг ^{. о}С (1)

де: х - концентрація етанолу в розчині, мас. частка;

t - температура кипіння, ^oC.

Температуру кипіння розчинів знаходили з виразів:

t = (1-y) (y_az - y) ^. t_W/ y_az + t₁ + t₂ + t₃, ^oC (2)

де: y_az = 0,8754 + (1,9746 - 7,44/ Р) / Р ; t₁ = y ^. (1-y) ^. t_az/ (y_az ^. (1 - y_az));

t₂ = y ^. (y - y_az) ^. t_a / (1 - y_az); t₃ = 30 ^. y ^. (y_az - y) ^. (1-y)²;

t_a =3611,977 / (16,55514 - ln Р) - 224,318; t_az = t_a - 0,016 - 0,00112 ^. Р;

t_W = 3890,54 / (16,40703 - ln Р) - 230,013;

t_a, t_az, t_W - температура кипіння спирту, азеотропу і води, ^оС;

y_az, y - концентрація етанолу в азеотропі і парі, мол. частка;

Р - тиск, кПа.

Теплоту пароутворення суміші етанол-вода обчислювали за рівнянням:

r = r_в - r_а ^. y (3)

де: r_в= 2498,7 - 2,2109 ^. t - 0,0020843 ^. t²; r_а= r_в- r_e= 1588,3 - 2,4518 ^. t+0,010371 ^. t²

r, r_в, r_e - теплота пароутворення суміші, води та етанолу, кДж/кг;

у - концентрація етанолу у парі, мас. частка.

Наведені формули для розрахунків С_Р, r, t характеризують властивості водно-спиртових сумішей за тиску від 25 до 130 кПа і дійсні для концентрацій етанолу від 0 до 100 % включно з відносною похибкою до 0,5 % .

Фазову рівновагу рідина-пара системи етиловий спирт-вода обчислювали за допомогою розробленої нами математичної моделі. Обчислювали допоміжну величину:

х_К = 0,02405 + 0,000001 ^. (125 - 2,14 ^. Р) ^. Р. (4)Якщо х > x_К,

тоді обчислюються проміжні величини:

x_az= 0,8754 +(1,9746 - 7,44 / P) ^. P і к₃ = (к_о + к₁х + к₂ ^. х²) / (1 + z₁х + z₂ ^. x²);

де: к_о= 2,93 + 0,056847 ^. Р; к₁ = 244,059 + 1,431848 ^. Р; к₂= 290,35 + 0,5467555 ^. Р;

z₂= 520,483 + 2,353615 ^. P; z₁ =3,1747 + 0,3054113 ^. P

і нарешті

y = (1 + (1-x) ^. (1-x/x_az) ^. к₃) ^. х. (5)

В іншому разі (якщо хЈх_К) обчислення мають вигляд:

к_о = 3,93 + 0,056847 ^. P; х_А = х / (0,025 - 1,7765 ^. 10^{-4 .} P); к₁ = 1 - к_о / (6,6 + 0, 041056 ^. P) і потім

y = к_о ^. х / (1 + к₁ ^. х_А ^. (х_А - 2)) (6)

де: х,у- концентрація етанолу в рідині та парі, мол. частка.

Розроблена модель описує фазову рівновагу водно - спиртової суміші за тиску 25 130 кПа, враховує явище інверсії кривої фазової рівноваги і дійсна для концентрації етанолу від 0 до 100 % включно з відносною похибкою до 1%. Обчислення флегмового числа (V) і витрати гріючої пари (П)_р виконано для колони, що містить 31, 33, 35, 37, 39, 41 теоретичну тарілку (т.т.), в тому числі 8 вичерпуючих та 4 пастеризуючих, для яких Р = 0,8 кПа/т.т., для значень Р_в = 25,3; 50,6; 75,9; 101,3; 126,7 кПа, концентрації етанолу в ректифікованому спирті х_др= 96,0; 96,2; 96,3; 96,5 % об., в живленні х_е = 20, 40, 60 %об., в лютерній воді х_л=0,005 %об.

Особливо значний вплив на V з перерахованих параметрів у вказаних діапазонах значень х_е, х_др n, i P_в має значення Р_в, причому цей вплив зростає зі зменшенням n і збільшенням х_др, особливо вище 96,2 % об. Слід також відзначити, що зміна х_др та n менше впливає на V при роботі колони під вакуумом, ніж за тиску, близького до атмосферного і, особливо, вище атмосферного. Вплив х_е на V в розглянутому діапазоні значень Р_в, х_др і n незначний.

Математичною обробкою результатів отримано залежність V від Р_в і х_др для колони, що містить 37 т.т., з яких 8 вичерпуючих і 4 пастеризуючих, х_е= 40 % об.:

V = 100000/ (А ^. х_др² - В ^. х_др ³) (7) де: А = 793,1/ Р_в+265,5+0,06377^. Р_в ; В = 7,783/ Р_в+2,728+0,0007512^. Р_в.

Залежність справедлива для значень х_др від 95,1 до 96,5 % об. і Р_в в діапазоні 25,3…126,7 кПа з відносною похибкою не більше 2,7 %.

Для оцінки впливу величини Р на V і П_р виконано розрахунки для РК, що містить 37 т.т. з яких 8 вичерпуючих і 4 пастеризуючих, х_е= 40 % об., відбір непастеризованого спирту - 1 %. При цьому х_др змінювали від 96,0 до 96,5 % об., Р_в - в межах 25,3…126,7 кПа, Р - в межах 0…1,0 кПа на 1 т.т. З графіків видно, що значення V, отримані без врахування Р (Р = 0) і з врахуванням останнього, суттєво відрізняються, особливо це помітно в області значень Р_В, мен-ших 50,6 кПа. Так, значення V, розраховані для х_др= 96,0 % об. і х_др= 96,5 % об. за робочого тиску Р_в= 25,3 кПа без врахування гідравлічного опору (Р = 0), майже співпадають - 2,33 і 2,48 відповідно. В той же час, ці значення, розраховані, наприклад, для D Р = 0,8 кПа, відповідно будуть - 1,64 і 2,87.

Також видно, що для х_др= 96,0 і D Р = 0 при зменшенні Р_в нижче 50,6 кПа зменшення значень V припиняється, в той час, як для D Р = 0,8 кПа вони зменшуються й далі. На нашу думку це можна пояснити спільним впливом врахування Р і явища інверсії кривої фазової рівноваги.

Таким чином, результати математичного моделювання вказують на необхідність врахування Р масообмінних тарілок в розрахунках ректифікаційних колон.

Дослідження СКТ при ректифікації суміші етанол-вода, проведені на Лу-жанському експериментальному заводі в діапазоні значень Р_в - 37,5…103,3кПа і значень фактора парової нагрузки (F = w ^. Цс_п, де w - швидкість пари, м/с; с_п - густина пари, кг/м³) - 0,9…1,59 кг ^{0,5 .} м ^{-0,5 .} с -¹, показали, що у дослідженому діапазоні практично не залежить від F. В той же час при зменшенні Р_в відбувається істотне зменшення . Математичною обробкою результатів отримано залежність від Р_в:

спирт етиловий ректифікація

з = Ц(0,5412 - 14,72/Р), (8)

де Р = Р_в+ DР (nў - j );

nў, j - кількість реальних тарілок в колоні та номер тарілки, рахуючи знизу.

Враховуючи позитивні наслідки роботи РК під вакуумом - зменшення V і П_р при незмінних х_др і n, а також негативні - зменшення з, - з метою знаходження оптимального Р_в було виконано розрахунки для колони, що містить 74 СКТ, з яких 16 виварних і 8 пастеризуючих, D Р = 0,2 кПа на одну реальну тарілку. Розрахунки виконано для х_Е = 40 % об., х_др = 96,0; 96,2; 96,5 % об. і Р_в = 30,3...101,3 кПа. Продуктивність РК (Д_р) для різних значень Р_в розраховували, виходячи з незмінного значення F-фактора для всіх значень Р_в. В розрахунках Д_р за 100% прийнято продуктивність РК за Р_в = 101,3 кПа і х_др = 96,2 % об. Результати розрахунків свідчать, що для всіх значень х_др в разі зменшення Р_в від 100 до 50 кПа відбувається інтенсивне зменшення значень V і П_Р, яке далі уповільнюється. За Р_в=40 кПа значення V і П_Р досягають свого мінімуму і при подальшому зменшенні Р_в починають зростати.

Що стосується Д_р, то зменшення Р_в призводить до її падіння, причому за Р_в < 50 кПа інтенсивність падіння зростає.

Таким чином, виходячи з мінімального значення V і П_р, оптимальним діа-пазоном значень Р_в слід вважати 40…50 кПа, але, зважаючи на те, що за Р_в<50 кПа відбувається істотне зменшення Д_р, очевидно, буде доцільним взяти за робочий тиск верхню межу вищевказаного діапазону, тобто Р_в = 50 кПа.

В четвертому розділі “Технологія ректифікованого спирту зі зменшеним вмістом алкоголю” наведено результати вивчення впливу х_др на V, П_Р і Д_р за різних Р_в та х_Е з врахуванням DР. Розрахунки виконували для колони, що містить 37 т.т. При визначенні Д_р за базову (100 %) приймали Др колони, що працює за тиску 101,3 кПа при виробництві спирту з х_др = 96,2 %об. Результати розрахунків показали, що особливо істотно х_др впливає на V, П_Р, Д_р для колони, яка працює за Р_в=101,3 кПа, при зменшенні тиску цей вплив зменшується. Вплив х_е на параметри процесу ректифікації у розглянутому діапазоні значень Р_в та х_др незначний. Математичною обробкою результатів розрахунків одержано залежності П_р та продуктивності РК від Р_в , х_др та х_е:

Х_др А · ^Ц (В - x_др)

П_р= , кг/дал (9) Д_р = , % від базової, (10)

С ^.·Ц(К - х_др ) х_др

де С = 6,8473 - 4,233 / Р_в - 421.36/ х_е² ; К = 96,4536 + 34,218 / Р_в + 49,13/ х_е²;

А = 20340 - 79668 / Ц Р_в - 26939/ ^. х_е²; В = 96,4752 + 33,348 / Р_в + 19,85/ ^. х_е².

Відносна похибка значень параметрів, розрахованих за допомогою одержаних формул, не перевершує 3 % для П_р і 1 % для Д_р.

Виконано термодинамічний аналіз РК при виробництві спирту з різними х_др. Ексергетичний баланс елемента установки описується рівнянням:

е Е_вх = е Е_вих + е Д , (11)

де Е_вх, Е_вих, Д - відповідно ексергія, що вводиться та виводиться з системи і втрата ексергії від необоротності, кДж.

Ексергію потоку речовини визначали за рівнянням:

Е = m [(i₁- i_o - T_o(S₁- S_o)] = m (i₁- i_o - T_o D S) , (12)

де m - маса потоку речовини в розрахунку на 1 дал спирту, кг;

i₁, i_o- ентальпія потоку в даному стані і в стані рівноваги з довкіллям, кДж/ кг;

S₁, S_о-ентропія потоку в даному стані і в стані рівноваги з довкіллям, кДж/кг^. К;

Т₀ - температура довкілля, ^оК.

Розраховано ексергетичній баланс системи, що включала РК, дефлегматор і кипўятильник, для умов: х_др = 96,5; 96,2; 96,0; 95,5 % об.; х_е = 40 % об.; V = 6,07; 4,08; 3,36; 2,35; D Р = 0,8 кПа/т.т.; висота колони - 37 т.т.; Р_в - 101,3 кПа; тиск гріючої пари - 304 кПа; температура води на вході та на виході з дефлегматора - 20 і 70 ^оС відповідно.

Результати розрахунку показали, що, наприклад, питомі витрати ексергії на вході в кип'ятильник Е_п при зменшенні х_др з 96,5 до 95,5 зменшуються з 18356 до 8998 кДж/дал, зменшуються і втрати ексергії в усіх досліджених елементах.

При оцінці термодинамічної ефективності ректифікації розглядали окремо процеси масо- і теплообміну: випарювання, власне ректифікацію і дефлегмацію.

Для теплообмінної апаратури рівняння для розрахунку коефіцієнтів інтен- сивності і ексергетичних втрат без урахування гідравлічних втрат мають вигляд :

h_N = Т_Г (Т_Х - Т_О)/ Т_Х (Т_Г - Т_О) (13)

h_n= (Q_T ^. T_O ^. (Т_Г - Т_Х/ Т_Г ^. Т_Х))/ Е_ВХ, (14)

де Q_T - кількість переданого корисного тепла, кДж;

Т_Х, Т_Г - середня температура холодного і гарячого потоку, ^оК.

Для процесу ректифікації коефіцієнти h_N i h_n розраховували за рівняннями:

h_N = (E _др + E_Л + E_Е)/ E_Р=130 , (15)

h_n= (Е_Р=130 - (E_Л + E_др - E_Е ))/(E_Р=130 + E_F + E_Е ) (16)

де E_Л, E_др, E_Е - ексергія верхнього, нижнього продуктів і живлення, кДж;

E _Р=130, Е_F - ексергія парового потоку на виході з кип'ятильника і флегми, кДж.

Розрахунки показали, що h_N i h_n для дефлегматора і кипўятильника при зміні х_др залишаються практично незмінними, а для ректифікаційної колони зі зменшенням х_др з 96,5 до 95,5 % об. коефіцієнт інтенсивності h_N зростає з 0,112 до 0,23, а коефіцієнт ексергетичних втрат h_n - зменшується з 0,723 до 0,615.

Для уточнення вмісту альдегідів і ефірів та вивчення вмісту кислот, вищих спиртів та метанолу в бражних дистилятах з різних стадій конденсації при переробці цукро- та крохмалевмісної сировини у виробничих умовах Попівського експериментального та Стадницького спиртового заводів було досліджено бражні дистиляти, отримані відповідно на БРУ під вакуумом та БРУ непрямої дії.

Аналіз отриманих результатів показав, що в процесі парціальної конденсації в дистилятах, поряд з підвищенням концентрації етанолу, зростає вміст альдегідів, ефірів, вищих спиртів та метанолу і зменшення вмісту кислот. Так, в дистилятах, отриманих з мелясної бражки, вміст ефірів збільшується від 0,0146 % об. в дистиляті з кипятильника РК до 0,0236 % об. в дистиляті з останньої стадії конденсації (конденсатор БК) і до 0,0539 % об. в дистиляті з конденсатора сепаратора СО₂. При переробці зернової бражки вміст, наприклад, метанолу збільшується від 0,0215 % об. в дистиляті з підігрівника бражки до 0,114 % об. в дистиляті конденсатора БК і 0,145 % об. в дистиляті з конденсатора сепаратора СО₂.

Порівнюючи отримані результати з відомими даними по концентрації домішок на тарілках епюраційної колони (ЕК), запропоновано здійснювати роздільне її живлення бражними дистилятами з різних стадій конденсації, виходячи з профілю концентрацій визначальної домішки по висоті колони.

На підставі виконаних досліджень розроблено технологію спирту ректифікованого зі зменшеним вмістом алкоголю. Технологію забезпечено доповненням до технологічного регламенту та технічними умовами ТУ У 18.163 - 94 “Спирт етиловий ректифікований вищої очистки “Номінал”, згідно з якими вміст алкоголю в ректифікованому спирті складає не менше 96,0 % об., при вимогах до інших показників якості на рівні спирту вищої очистки за ГОСТ 5962 - 67.

Технологію реалізовано на Будильському спиртовому заводі шляхом реконструкції БРУ непрямої дії продуктивністю 3000 дал/добу. Під час напрацювання дослідної партії спирту продуктивність установки досягла 3600 дал за добу. Показники якості спирту, що при цьому вироблявся, відповідали вимогам ТУ У 18.163-94. Річний економічний ефект від впровадження склав 46 тис. грн.

Технологію здано відомчій комісії державного концерну “Укрспирт”, новизну захищено патентами України і Росії.

У пятому розділі “Брагоректифікаційна установка з елементами під вакуумом і рекуперацією тепла (БРУВАК - 1)” наведено результати дослідження ефективності плівкового кипятильника (ПК) ректифікаційної колони, що працює під вакуумом, в разі обігріву його парою бражного дистиляту.

В процесі досліджень виявлено, що мінімальна щільність зрошення кипятильних труб складає L = 1,7^. 10 ^-4 м³/м ^. с. Математичною обробкою результатів досліджень одержано залежності коефіцієнта теплопередачі від температурного напору (t) для верхньої К_в і для нижньої К_н секцій кип'ятильника:

К_в= 90t + 770, Вт/м^{2 . 0}С (17) К_н= 102t + 230, Вт/ м^{2 . 0}С (18)

Аналіз одержаних даних показав, що інтенсивність теплообміну в плівковому кипятильнику більш, як в два рази вища, ніж в циркуляційному кипятильнику, що працює в аналогічних умовах.

Виходячи з умови забезпечення інтенсивного теплообміну між технологічними потоками і найбільш повного використання тепла пари бражного дистиляту, з використанням залежностей (1)...(6),(17),(18) виконано обгрунтування енерготехнологічних звязків і параметрів та розроблено технологію брагоректифікації і установку з елементами під вакуумом і рекуперацією тепла БРУВАК-1.Установка містить три колони: бражну (БК), епюраційну (ЕК) і ректифікаційну (РК).

Особливістю технологічної схеми БРУ є те, що епюраційна і ректифікаційна колони працюють під вакуумом, а для їх обігріву використовують тепло пари бражної колони. Іншими особливостями схеми є:

- декарбонізація нагрітої до кипіння бражки в протитечії зі спиртовою парою;

- зрошення верхніх тарілок БК бражним дистилятом для очищення водно-спиртової пари від часток бражки і піни;

- ступінчато-послідовне використання тепла пари бражного дистиляту для обігріву РК, ЕК і нагріву бражки;

- попередній нагрів бражки спиртовою парою з ректифікаційної колони;

- ступінчато-послідовна рекуперація тепла барди для нагріву і перегонки бражки;

- використання для рекуперативного обігріву РК плівкового кипятильника.

Як показали розрахунки, сумарна витрата гріючої пари в розробленій БРУ складає 26 кг/дал, що на 51% менше, ніж в установці непрямої дії ( БРУНД), і на 8 % менше, ніж в відомій брагоректифікаційній установці з елементами під вакуумом - БРУВАК - 2.

Дані ексергетичного балансу свідчать, що загальна величина втрат ексергії зі скидними потоками для БРУВАК-1складає 3540 кДж/дал, або на 68 % менше, ніж в БРУНД, і на 31 % менше, ніж для БРУВАК - 2.

Аналіз коефіцієнтів _N і _п елементів БРУВАК-1 (табл.1) показав, що ефективність більшості її елементів вища ніж, аналогічних елементів БРУНД і знаходиться на рівні ефективності елементів БРУВАК - 2.

Розроблену технологію і установку БРУВАК - 1 впроваджено на Бійському спиртовому заводі Російської Федерації шляхом реконструкції БРУ непрямої дії продуктивністю 3000 дал/добу.

Таблиця 1. Коефіцієнти термодинамічної ефективності БРУВАК-1

Назва елементів установки	Тх, оК	Тг, оК	N	п
Бражна колона	-	-	0,88	0,087
Епюраційна колона	-	-
Ректифікаційна колона	-	-	0,139	0,721
Кипятильник ЕК	345	363	0,782	0,104
Плівк. кипятильн. РК	365	369,8	0,95	0,016
Кипятильник РК	365	407	0,704	0,253
Дефлегматор ЕК	310,5	334	0,46	0,44
Дефлегматор РК	310,5	334	0,46	0,422
Підігрівник бражки РК	315,5	334	0,58	0,129
Підігрівник бражки БК	338	361,6	0,702	0,17
Підігр. бражки бардою	358	370	0,872	0,033

В процесі вводу в експлуатацію було уточнено параметри технологічного режиму (табл.2). Продуктивність установки відповідала паспортній. На установці виробляли спирт “Люкс” згідно з ГОСТ 5962 - 67, фракція головна і сивушне масло відповідали вимогам діючих нормативів.

Таблиця 2. Основні параметри технологічного режиму БРУВАК - 1

Назва технологічного параметра	Колони
	БК	ЕК	РК
Тиск, кПа: - в виварній камері - над верхньою тарілкою	120...122 105...107	63...64 49...50	72...74 49...50
Температура, оС: - в виварній камері - над верхньою тарілкою - над тарілкою живлення	104...105 94...95 95...96	72...74 61 -	90...91 61 72...74

Тривала експлуатація БРУВАК - 1 на Бійському спиртовому заводі показала високу її ефективність і надійність. Річний економічний ефект склав 1557 тис. рос. рублів або понад 300 тис. грн. у цінах 1999 року.

Заключення і висновки

В результаті проведених досліджень науково обгрунтовано, розроблено і впроваджено в промислову експлуатацію енергозберігаючу технологію брагоректифікації з елементами під вакуумом та установку для її здійснення і енергозберігаючу технологію та установку для виробництва спирту етилового ректифікованого зі зменшеним вмістом алкоголю. Технології забезпечено нормативно-технічною документацією і захищено патентами України і Росії.

З отриманих результатів роботи можна зробити такі висновки:

1. Розроблено математичну модель фазової рівноваги рідина-пара суміші етанол-вода, яка враховує інверсію коефіцієнта випаровування етилового спирту за малих його концентрацій і характеризує поведінку суміші за тиску 25…130 кПа для концентрацій спирту від 0 до 100 % включно з похибкою не більше 1 %.

2. Розроблено математичні моделі температури кипіння, ізобарної теплоємності і теплоти пароутворення водно-спиртових сумішей, які дійсні для концентрацій етанолу від 0 до 100 % включно і тиску 25…130 кПа з похибкою до 0,5%.

3. Досліджено вплив кількісті теоретичних тарілок РК, робочого тиску, складу дистиляту і живлення на флегмове число і витрату гріючої пари з врахуванням гідравлічного опору масообмінних тарілок. Вивчено вплив ДР на V і П_р в діапазоні ДР= 0…1 кПа/т.т. для х_дp = 96,0…96,5 % об. і Р_в = 25,33…126,7 кПа.

4. На основі одержаних експериментальних даних отримано залежність к.к.д. ситчасто-клапанних тарілок від тиску =(0, 5412-14,72 Р) і за її допомогою визначено оптимальний робочий тиск, за якого забезпечуються мінімальні V і П_р. Для х_дp = 96,0…96,5 % об. оптимальне значення тиску складає 40…50 кПа.

5. Досліджено вплив значення х_др на V, П_р і продуктивність РК (Д_р) в діа-пазоні значень х_дp= 95,0…96,5 % об. і Р_в= 50,6…101,3 кПа. Одержано залежності витрати гріючої пари П_Р = х_дp /C( К-х_дp) і Д_р= А^.(В^.х_дp)/х_дp від складу дистиляту і тиску. На основі термодинамічного аналізу РК встановлено, що зі зменшенням х_дp зменшуються питомі витрати ексергії, зменшуються втрати ексергії в технологічних елементах і зростає термодинамічна ефективність ректифікаційної колони.

6. Розроблено та впроваджено на Будильському спиртовому заводі технологію виробництва спирту зі зменшеним вмістом алкоголю, яку здано відомчій комісії державного концерну “Укрспирт”. Економічний ефект від впровадження складає 46 тис. грн. на рік у цінах 1994 року. Розроблено ТУ У 18.103-94 “Спирт етиловий ректифікований вищої очистки “Номінал”, а також внесено зміни в ГОСТ 5962-67, де зменшено норматив вмісту алкоголю в спирті “Екстра” з 96,5 до 96,3% об. Розроблено доповнення до технологічного регламенту.

7. Науково обгрунтувано вибір енерготехнологічних зв'язків і параметрів та розроблено енергозберігаючу технологію і установку з елементами під вакуумом - БРУВАК-1. Розраховано тепловий та ексергетичний баланси установки, виконано аналіз теплових потоків і потоків ексергії порівняно з БРУНД і БРУВАК-2. Для БРУВАК-1 витрата гріючої пари складає 26 кг/дал, що на 51% менше, ніж в БРУНД, і на 8 % менше, ніж в БРУВАК-2. Встановлено, що термодинамічна ефективність більшості елементів БРУВАК-1 значно перевищує ефективність аналогічних елементів БРУНД і близька до ефективності елементів БРУВАК-2. Розроблено технологічний регламент на експлуатацію БРУВАК-1. Технологію впроваджено на Бійському спиртовому заводі РФ з економічним ефектом 1557 тис. рос. рублів або понад 300 тис. грн/рік у цінах 1999 року.

Основні положення дисертації викладено у таких публікаціях

1. Интенсификация теплообмена в брагоректификационной установке под. вакуумом / В.Г. Артюхов, Г.К. Дроговоз, Г.А. Кизюн, А.С. Мищенко, Е.В. Калита, Пищевая промышленность . - 1986, № 4 . - С. 41 - 42.

2. Эффективность ситчато-клапанных тарелок и перспективы их приме-нения при производстве этанола / А.С. Мищенко, Г.А. Кизюн, Г.К. Дроговоз, А.Н. Сулима // Технология биоконверсии свекловичной мелассы на пищевые, кормо-вые и другие продукты: Сб. научн. трудов. - К.: НПО “ Сахар”, 1987. - С. 66 - 73.

3. Опыт эксплуатации брагоректификационной установки из нержавеющей стали с клапанными тарелками / В.Г. Артюхов, Г.К. Дроговоз, Г.А. Кизюн, А.С. Мищенко и др.// Химия и технология пищевых продуктов: Сб. научн. трудов. - К.: ВНИИСП, 1988. - С. 141 - 146.

4. Влияние гидродинамических и конструктивных параметров на эффективность ситчато-клапанных тарелок при разделении смеси этанол - вода / А.Н. Сулима, А.Б. Тютюнников, И.П. Шепотько, А.С. Мищенко // Расчет и конструирование современного технологического оборудования: Сб. научн. трудов. - М.: НИИХИММАШ, 1989.- С. 54 - 61.

5. Високоефективні ректифікаційні установки / В. Артюхов, Г. Дроговоз, Є. Міхненко, Г. Кизюн, О. Міщенко, І. Журавський // Харчова і переробна промисловість. - 1993. - № 9. - С. 20.

6. Виробництво спирту з меншим вмістом алкоголю / Є. Міхненко, О. Міщенко, Г. Кизюн та ін. // Харчова і переробна промисловість. - 1994.- №12.- С. 22.

7. Міхненко Є., Кизюн Г., Міщенко О. Ректифікаційні технології на спирт-заводах// Харчова і переробна промисловість . - 1995. - № 8. - С. 28 - 29.

8. Термодинамическая эффективность получения ректификованного спирта с пониженным содержанием алкоголя / Е.А. Михненко, А.С. Мищенко, Г.А.Ки- зюн и др. // Хранение и переработка сельхозсырья. - 1996. - № 2. - С.8 - 9.

9. Патент 8782 України, МКВ² С12 F 1/06. Спосіб виділення етилового спирту з сивушних фракцій / В.Г. Артюхов, Г.К. Дроговоз, В.П. Ковальчук, Є.О. Міхненко, О.С. Міщенко, Г.О. Кизюн. - Опубл. 30.09.96, Бюл. № 3. (Патент 1275037 России , Способ выделения этилового спирта из сивушних фракций).

10. Патент 11944 України, МКВ С12F1/08. Брагоректифікаційна установка для одержання харчового спирту / В.Г. Артюхов, Г.К. Дроговоз, Г.О. Кизюн, В.П. Ковальчук, Є.О. Міхненко, О.С. Міщенко, М.С. Артьомов. - Опубл. 25.12.96, Бюл. № 4. (Патент 1655104 России, Брагоректификационная установка для получения пищевого спирта).

11. Патент 17080 України, МКВ С 12 F1/06. Спосіб виробництва ректифікованого спирту / Є.О.Міхненко, О.С.Міщенко, Г.О.Кизюн та ін.-Опубл. 31.10.97, Бюл. № 5.

12. Исследование эффективности ситчато - клапанных тарелок при ректи- фикации под вакуумом /А.С. Мищенко, Г.К. Дроговоз, Г.А. Кизюн, А.Н. Сулима//Тезисы докладов Всесоюзного совещания “Тепломассообменное оборудование - 88”. - М.:Цинтихимнефтемаш. - 1988. - С.90 - 91.

13. Міхненко Є.О., Міщенко О.С., Кизюн Г.О. Вакуумні ректифікаційні технології в спиртовій промисловості України // Труды украинского вакуумного общества. Тезисы материалов научно - практической конференции “Вакуумная техника и вакуумные технологии”. - К.: - 1995. - С.370 - 371.

14. Залежність температури кипіння водно-етанольних сумішей від кон-центрації і тиску / Є.О. Міхненко, О.С. Міщенко, Г.О. Кизюн та ін.// Тези доповідей ІХ Міжнародної конференції. “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв 4.5 “Моделювання апаратів в умовах спільно протікаючих гідромеханічних та масообмінних процесів”. - Одеса: - 1996. - С.51.

15. Рівняння парорідинної рівноваги для системи етиловий спирт - вода /Є.О. Міхненко, О.С. Міщенко, Г.О. Кизюн та ін. // Там же.- С.52.

Анотації

Міщенко О.С. Розробка та впровадження енергозберігаючих технологій ректифікації етилового спирту.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.07 - Технологія продуктів бродіння.- Український державний університет харчових технологій, Київ, 2000.

В дисертації наведено результати експериментальних досліджень: ефективності масообмінних тарілок ректифікаційних колон за різних тисків; складу бражних дистилятів з різних стадій конденсації; теплообміну у плівковому кип'ятильнику ректифікаційної колони, що працює під вакуумом. За допомогою математичного моделювання досліджено взаємозв'язок параметрів ректифікаційної колони за умови врахування гідравлічного опору тарілок, вивчено вплив величини останнього на флегмове число ректифікаційної колони і витрату гріючої пари. Показано необхідність врахування гідравлічного опору тарілок в розрахунках ректифікаційних колон. Розраховано оптимальнй робочий тиск ректикаційної колони.

Наведено розроблені та впроваджені технології виробництва ректифікова-ного спирту зі зменшеним вмістом алкоголю і брагоректифікації з елементами під вакуумом, зроблено їх тепловий та термодинамічний аналіз, показано їх переваги перед існуючими технологіями.

Ключові слова: спирт етиловий ректифікований, ректифікація, математичне моделювання, енергозбереження, ексергетичний баланс, термодинамічний аналіз.

Мищенко А.С. Разработка и внедрение энергосберегающих технологий ректификации этилового спирта.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.07-Технология продуктов брожения. - Украинский государ-ственный университет пищевых технологий, Киев, 2000.

Выполнен анализ известных конструктивных и технологических приемов энергосбережения в брагоректификации, дана оценка современных установок для перегонки и ректификации этилового спирта с энерготехнологическим комбинированием и рекуперацией тепла.

Разработана математическая модель фазового равновесия жидкость-пар для смеси этанол-вода, действительная в диапазоне концентраций спирта 0-100 % и давлений 30-130 кПа. Созданы математические модели зависимостей темпера-туры кипения смеси этанол - вода от концентрации и давления, а также изобарной теплоемкости и теплоты парообразования от концентрации и температуры.

С использованием разработанных математических моделей исследовано влияние давления, количества тарелок, концентрации этанола в питании и дистилляте на флегмовое число ректификационной колонны и расход греющего пара с учетом гидравлического сопротивления массообменных тарелок. Исследовано влияние величины гидравлического сопротивления тарелок на параметры работы ректификационной колонны при разных давлениях, показана необходимость его учета в рассчетах ректификационных колонн.

Экспериментально исследована работа ситчато-клапанных тарелок при ректификации смеси этанол-вода, показано снижение коэффициента полезного действия тарелок при давлении ниже атмосферного, получена зависимость к.п.д тарелок от давления в колонне и выполнена оптимизация рабочего давления.

Изучено влияние концентрации алкоголя в ректификованном спирте на производительность, флегмовое число ректификационной колонны и расход пара на ректификацию, дана оценка термодинамической эффективности ректифи-кационной колонны при производстве спирта с разной концентрацией алкоголя.

Экспериментально исследован состав примесей бражных дистиллятов, полученных с различных стадий конденсации в условиях производства спирта из зерна и мелассы. Подтверждено, что в процессе парциальной конденсации происходит обогащение несконденсированной части пара бражного дистиллята альдегидами, эфирами, высшими спиртами и метанолом. Содержание кислот при этом уменьшается. Показана целесообразность использования разделяющего действия конденсаторов бражной колонны для предварительной очистки бражного дистиллята от примесей и раздельного питания эпюрационной колонны бражными дистиллятами с разным содержанием примесей.

Разработана технология производства ректификованного спирта с умень-шенной концентрацией алкоголя, включающая эффективную декарбонизацию бражки, раздельное питание эпюрационной колонны и отвод сивушного спирта в ее концентрационную часть, выделение сивушного масла экстрактивной ректификацией. Технология внедрена в производство и обеспечена нормативно-технической документацией.

Исследована работа пленочного кипятильника ректификационной колонны, работающей под вакуумом, при его обогреве паром бражного дистиллята. Выполнено обоснование энерготехнологических связей и параметров и разработана энергосберегающая технология брагоректификации и установка с элементами под вакуумом и ступенчато-последовательной рекуперацией тепла пара бражного дистиллята и барды (БРУВАК-1). Особенностью установки является работа под вакуумом эпюрационной и ректификационной колонн, которые обогреваются паром из бражной колонны. Результаты теплового баланса показали существенное преимущество разработанной установки по расходу греющего пара перед установками косвенного действия и ранее разработанной БРУ с элементами под вакуумом (БРУВАК-2). Термодинамическая эффективность элементов БРУВАК-1 существенно выше термодинамической эффективности элементов БРУ косвенного действия и близка к термодинамической эффективности аналогичных элементов БРУВАК-2.

Разработанная технология внедрена на ряде спиртовых заводов Украины и России. Экономический эффект для спиртового завода производительностью 3 тыс. дал/сутки составляет более 300 тыс. грн. в год.

Ключевые слова: спирт этиловый ректификованный; ректификация; математическое моделирование; энергосбережение; тепловой баланс; эксергетический баланс; термодинамический анализ.

Mishchenko O.S. Development and adoption of energy-saving technologies of ethyl alcohol rectification. Manuscript.

The thesis is presented for candidate of Technical Sciences for field 05.18.07 - the technology of fermentation products. - Ukrainian State University of Food Technologies, Kyiv, 2000.

Dissertation is dedicated to the experimental investigation results: effectiveness of mass exchange column plates by different pressure; beer distillates composition from different stages of condensation at production process; heatm exchange at film re-boiler of rectifying column under vacuum. Communication of parameters of rectifying column by take into consideration the hydraulic recistance of plates have been investigated by mathematical simulate; influence its into reflux ratio of rectifying column and consumption of heating steam have been investigated. The need of hydraulic resistance of plates count up at the calculations of rectifying column have displaied. Optimum working pressure of rectifying column have been calculated.

The technologies of rectifyig alcohol manufacture with decrease alcohol content аnd beer rectifying with elements under vacuum have made and they thermodynamic analysis have made, they advantages compared with existing technologies have shown.

Key words: ethyl alcohol rectified, rectifying, mathematical simulate, energysaving, energy balance, thermodynamic analysis.

Размещено на Allbest.ru

...